多能互補分布式能源關鍵技術發展研究

梁晶　趙強　王世朋

摘要：構建清潔、低碳、高效的能源供給體系，開創安全高效的能源消費新局面是中國能源轉型的方向和目標。其中，多能互補系統可以充分地利用分布式能源和可再生能源，對提升可再生能源消納比例和提高能源綜合利用效率具有重要意義。綜述了目前中國國內外多能互補分布式能源主要技術的原理及特點，并重點介紹了燃氣分布式能源、分布式光伏、蓄能系統、熱泵技術等。

關鍵詞：多能互補;燃氣分布式;分布式光伏;蓄能

中圖分類號：TKOI

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.032

1 引言

中國能源正處于從總量擴張向提質增效轉變的全新發展階段，構建清潔低碳能源供給體系將成為中國能源發展的方向和目標。其中，多能互補系統可以充分地利用分布式能源和可再生能源，對提升可再生能源消納比例和提高能源綜合利用效率具有重要意義。

多能互補分布式能源與傳統供能系統很大的區別在于其豐富多樣的電源形式，主要涵蓋燃氣輪機、內燃機、小水電、風力發電、光伏發電以及地熱發電等。此外還可配置儲能設備，如飛輪儲能、電池儲能、超導儲能、超級電容儲能等多種形式儲能。分布式能源從空間、時間和特性上將多種能源進行整合互補，緩解整個系統波動，提升供能可靠性。

2 中國國內發展現狀

多能互補包括終端一體化集成供能系統和風光水火儲多能互補系統兩種類型。為構建優良的多能互補分布式智慧能源系統，中國國內外研究團隊不僅在多種能源組合方面嘗試各種配置，在分布式電源、儲能等方面也進行不斷創新。分布式電源指規模容量較小，產生的電能不需要大規模、遠距離輸送，與用戶就近布置，直接進行就地消納的微小型發電系統[1]，其一般包括傳統發電模塊、可再生能源發電模塊等。相對于傳統電源，分布式電源系統簡單，各組件互相獨立，容易控制，對負荷變動的適應性強，擁有很好的調峰能力。同時由于采用了新興發電模塊與引入了可再生能源，對溫室氣體及固體廢棄物減排也有很大的促進作用。近年來，由于具有以上優點，分布式電源發展迅速，包括就近供電、海島供電、保障供電、備用電源、“黑起動”電源等。

儲能技術是借助某種設備，將電能轉換成另外形式存在的能量并儲存，在必要時再將所儲存的能量轉換成電能，目前電能儲存主要包括機械、電磁和電化學儲能三種形式。儲能系統利用變流器完成同交流母線的能量交換，可消除光伏與風電輸出功率的波動影響，確保電池充放電功能，變流器中能量可以進行雙向流動。為了實現削峰填谷，穩定輸出，保證供電質量，并在必要時進行微網孤島運行，儲能設備必須具備大容量、高效率轉化的能力。目前儲能技術得到越來越廣泛的關注，應用范圍日益擴大。

3 多能互補分布式能源關鍵技術

多能互補是指按照不同資源條件和用能對象，多種能源互相補充、協同供應，以滿足用戶用能需求。

3.1 燃氣分布式能源

燃氣分布式能源指以天然氣為主要燃料，在用戶端就近布置，通過冷熱電三聯供技術實現能源梯級利用[2]的能源供應模式。典型的燃氣分布式能源系統包括原動機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、發電機、制冷設備等。天然氣在原動機（燃氣輪機/內燃機/微型燃氣輪機等）燃燒后，帶動發電機進行發電，其中排出的高溫煙氣余熱可以依據終端用戶的需求采用多種利用形式，可以經過余熱利用設備的換熱過程，將水加熱成高溫水蒸氣，高溫水蒸氣再進入蒸汽輪機內推動葉片旋轉，然后通過發電機發電;從余熱利用設備中排出的低溫煙氣可通過煙氣驅動吸收式熱泵來提供熱水，而從蒸汽輪機排出的中溫蒸汽可驅動熱泵來提供冷量和熱量。

燃氣分布式能源相對于傳統的能源供應模式，其對能量進行了梯級高效利用，實現了冷、熱、電的同時供應。充分利用了發電余熱，由于電力和冷熱量供應距離較短，能源的綜合利用效率可達到70% - 90%。同時，燃氣分布式能源系統可作為大電網的有效補充，提高能源供應的安全性，同時對天然氣和電力具有雙重“削峰填谷”的作用。另外，燃氣分布式能源系統可大幅度減少二氧化碳、氮氧化物等污染物的排放，節能減排效果顯著。

3.2 分布式光伏

光伏發電借助太陽能電池，利用光生伏特效應，把太陽光能直接轉化為電能[3]。分布式光伏是在用戶側就近布置，以自發自用、余電上網為原則，以平衡調節配電系統為特征的光伏發電裝置。它以就近發電、并網、使用為原則，不僅可以有效提高光伏電站發電量，還能有效解決長距離傳輸的損耗問題。目前城市建筑物屋頂光伏應用最為廣泛，同時光伏車棚、幕墻光伏等光伏建筑一體化也在不斷推廣。

目前，分布式光伏應用與新能源汽車緊密結合，利用車棚的屋面資源建設光伏車棚，同時同步配套建設充電樁，對新能源汽車進行充電。光伏車棚所發電量除供給車輛使用外，多余的電量供上網，從而減緩城市的用電壓力，實現社會效益和環境效益的雙贏。

3.3 蓄能系統

蓄能其實就是指能量的儲存，是把一種能量利用某種裝置和介質轉換成另一種形式的能量并儲存的循環過程，在將來必要時以所需的能量形式釋放使用。多能互補系統中由于供能側與負荷側的能源供求關系直接影響系統能否實現高效運行，蓄能系統可以保證能源系統的穩定運行，而且還能達到調和供需矛盾的作用。當用戶負荷波動較大時，由于蓄能系統發揮了供需關系中的緩沖作用，可以使整個大系統仍然以高效率運行，確保全能量供應系統的整體性能。

蓄能主要包括儲電、蓄熱（冷）等多種類型。儲電指借助物理、化學方法等技術，將能量儲存起來并在需要時釋放使用，一般由變流器（ PCS）、儲能電池和升壓變組成[4]。變流器可實現電能的雙向轉換：在充電狀態時，變流器作為整流器將電能從交流變成直流儲存到儲能裝置中;在放電狀態時，變流器作為逆變器將儲能裝置儲存的電能從直流變為交流，輸送到電網。

工程中常用的蓄熱（冷）方式主要有液體顯熱蓄熱、固體顯熱蓄熱、相變蓄熱、吸收式蓄熱等[5]。如斜溫層蓄水罐等液體顯熱蓄熱技術目前相對成熟，其利用液體蓄熱介質溫差存儲熱量，效率較高，且成本低，但蓄熱密度較小。箱變蓄熱是利用箱變潛熱儲存熱量，蓄熱密度大，目前已有應用案例。固體顯熱蓄熱是采用鵝卵石或混凝土等材料，利用溫差蓄存熱量，取熱量及溫度品味不穩定。吸收式化學需能理論及實驗研究還處于發展探索階段，市場上尚無成熟產品。

3.4 余熱回收熱泵

燃氣分布式能源系統主要原動機設備有燃氣輪機、燃氣內燃機，也是系統主要的余熱來源[6]。就燃氣內燃機而言，余熱形式有煙氣、高溫缸套水、中冷水、滑油冷卻熱，煙氣溫度一般在300 - 500℃之間，高溫缸套水溫度一般在85 -95℃，中冷水溫度一般在40 - 50℃，滑油冷卻熱通過高溫缸套水帶走;就燃氣輪機而言，余熱形式為煙氣，溫度一般在450 - 600℃間。常見燃氣分布式系統通過鍋爐煙氣余熱利用設備可將排煙溫度降低到80 - 120℃，這仍會造成部分能量浪費，影響系統綜合能源利用效率。熱泵技術作為一種可以將低位熱能提升至高品位并加以再利用的設備，可進一步回收余熱，在節能方面有良好應用前景。燃氣分布式系統中，可通過煙氣余熱回收熱泵技術，進一步挖掘余熱潛力，將排煙溫度可降低至40℃以下后將煙氣排至室外;而熱泵系統的進水由低溫水提高至中溫水后用于系統應用，由此提高系統綜合能源利用效率，提高項目綜合收益。

能源站在發電供熱的同時，有大量的乏汽冷凝熱（約20%）通過冷卻塔排放到大氣中，通過溴化鋰吸收式熱泵可有效回收乏汽冷凝熱。由于吸收式熱泵能將低溫水的溫度提升至比較高的溫度，且機組單機供熱量大，適合于北方集中供暖系統以及工藝用熱和鍋爐補水加熱。在熱泵加熱一次網回水場景中，可抽取汽輪機低壓蒸汽作為溴化鋰吸收式熱泵機組的驅動熱源，回收發電系統乏汽冷凝熱，將一次網回水溫度從50℃提高至80℃供熱。在不發生燃料消耗、不減少電廠發電量的情況下，可增加供熱能力30%以上;在熱泵加熱鍋爐給水場景中，可抽取汽輪機低壓蒸汽作為溴化鋰吸收式熱泵機組的驅動熱源，回收發電系統乏汽冷凝熱來加熱鍋爐水，以減少鍋爐能耗。

3.5 污水源熱泵

污水源熱泵系統是通過污水換熱器與中介水進行換熱，中介水進入熱泵，通過電能驅動熱泵主機，冬季從水資源中提取低品質熱能，通過熱網供給采暖及生活熱水系統;夏季將水資源中的低品質冷能“汲取”出來，經管網供給室內供冷系統，給室內提供空調制冷，充分利用污水能量。

污水具有水處理量大、水源穩定、冬暖夏涼等特點，城市污水作為冷熱源為污水源熱泵提供能量[7]。按污水熱能提取方式可分為直接利用式和間接利用式。熱泵空調機組換熱器中的制冷劑與污水直接進行換熱，提取其中熱量或冷量，稱之為直接換熱式熱泵空調系統;通過熱交換器使污水與某種中間介質進行熱交換，隨后通過中間介質同制冷劑換熱的系統，稱之為間接換熱式熱泵空調系統。直接換熱系統制熱效率高、系統簡單、系統壽命低、機組清洗周期短;間接換熱系統制熱效率低、系統復雜、使用壽命長、清洗周期長。

4 小結

隨著綠色發展理念及國家能源發展戰略行動計劃的穩步推進與落實，可再生能源+清潔能源的多能源互補終端一體化供能系統將呈現快速增長趨勢。多能互補分布式能源系統將各種先進技術深度融合，實現能源的優化配比與協調。隨著國家、社會的發展，對當前已有關鍵技術的研發及相關技術存在的核心問題攻堅將更加深入，同時相伴隨的需要克服的新技術屏障也會不斷出現，但可以肯定，今后更先進、全面的技術也一定會不斷涌現。

參考文獻：

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[4]曹生允.電池儲能的兩級式功率變換系統研究[D].南寧：廣西大學，2014.

[5]王智輝.熱化學蓄熱系統研究進展[J].新能源進展，2015，3 （4）： 289-298.

[6]黃妮娜，李培元，應炬鋒.燃氣分布式系統的經濟性分析[J].分布式能源，2016，1（2）： 61-66.

[7]王繼斌.污水源熱泵技術的應用與發展前景[J].西部皮革.2016，38 （2）：3.